1976

Тензорезисторы характеризуются рядом параметров, основными из которых являются:

-тензочувствительность Sт;

-номинальное сопротивление R;

-допустимая деформация Едоп;

-погрешность преобразования.

Для обоих видов тензочувствительных материалов, проводниковых и полупроводниковых, тензоэффект характеризуется величиной тензочувствительности, устанавливающей связь между относительным изменением сопротивления и относительной деформацией в направлении измерений [1,2].

Тензочувствительность материала характеризуется зависимостью

где l; R; ∆R; ∆l - длина и сопротивление тензочувствительного элемента и их приращение в следствии деформации;

m l - коэффициент эластосопротивления, равный m l

=υΕм ;

Εм - модуль упругости образца тензочувствительного материала;

υ – продольный коэффициент пьезосопротивления.

В формуле члены 1+2 µ определяют зависимость величины ST от изменения геометрии, а последний член – от изменения свойств материала образца. Для металлов m l составляет небольшую долю от величины 1+2 µ . Для полупроводниковых материалов, наоборот, m l> 1+2 µ , и для них без особой

ошибки можно считать, что ST ≈ m l. Коэффициент Пуассона для металлов и сплавов, из которых изготовляют тензорезисторы, в области упругих деформаций лежит в пределах 0,24 – 0,42. Учитывая, что m l≈ 0, получаем величину ST =1,48÷1,84, 91

т.е. значение коэффициента тензочувствительности проволочных и и фольговых преобразователей близко к двум. У полупроводниковых материалов µ и m l достигают нескольких десятков, а поэтому ST =50÷100. Важным свойством полупроводниковых тензорезисторов является практически линейная зависимость сопротивления от деформации и температуры, поэтому отпадает необходимость применения специальных средств для компенсации нелинейности.

Номинальное сопротивление тензорезистора – сопротивление между его выводами при заданной температуре окружающей среды в отсутствии механических нагрузок.

Величины номинального сопротивления проволочных и фольговых тензорезисторов находятся в пределах 10–800 Ом, полупроводниковых – 50– 50000 Ом.

Одной из важных характеристик тензорезисторов является допустимая деформация Едоп. Её превышение приводит к появлению остаточных деформаций и даже обрыву проволочных проводников и разрушение пластины полупроводниковых преобразователей. Для тензорезисторов Едоп =3÷5·10-3.

Максимально возможное изменение сопротивления преобразователей составляет:

у проволочных и фольговых при Sт=2

у полупроводниковых при Sт=100

∆RR =30%.

Вследствие малости относительного изменения сопротивления проволочных и фольговых преобразователей возникает необходимость включения их в специальные схемы, предусматривающие усиление сигнала и компенсацию изменения сопротивления R в зависимости от других факторов. Полупроводниковые тензорезисторы имеют большой динамический диапазон изменения сопротивления и поэтому могут вырабатывать значительный сигнал, не требующий усиления.

92

7.2. Расчёт тензорезисторов

До последнего времени методы расчёта тензорезисторов не были известны, и разработка преобразователей производилась чисто эмпирическим путём. Однако в связи с развитием квалиметрии измерительных преобразователей оказалось, что основные соотношения режима работы тензорезисторов достаточно хорошо описывается математически, и при проектировании тензорезисторов и сравнении новых типов с известными полезно проводить их расчёт.

Расчёт тензорезисторов сводится к определению при выбранных их размерах допускаемой тензорезистором мощности рассеяния (а следовательно, и допустимого значения тока при данном сопротивлении) или наоборот – к определению размеров тензорезистора, необходимых для обеспечения заданной мощности.

Мощность Р, рассеиваемая в тензорезисторе, ограничена его нагревом, вызывающим появления повышенных значений погрешности. Перегрев Θ тензорезистора по сравнению с температурой детали, на которую он наклеен, равен

где RT – тепловое сопротивление, К/Вт; S0 – площадь поверхности теплоотдачи материала резистора, м2; ξ – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К); Руд=Р/S0 – удельная тепловая нагрузка, Вт/м2 .

При тепловом контакте тензорезистора с деталью через слой клея и подложку отводиться в 200—300 раз больший тепловой поток, чем при теплоотдаче тензорезистора в окружающий воздух. Это объясняется тем, что коэффициент теплоотдачи в воздух равен ξ= 10 Вт/(м2 ·К). Поэтому с высокой точ-

93

ностью можно считать, что практически весь тепловой поток от тензорезистора отводится через слой клея в деталь, на которую он наклеен. Отсюда площадью S0 поверхности теплоотдачи для плёночных и фольговых тензорезисторов следует считать поверхность резистора, обращённую к детали, а для проволочных – с достаточно точным приближением половину цилиндрической поверхности их проволоки.

Необходимые для расчёта значения удельной тепловой нагрузки Руд=Р/S0 большинства используемых сейчас проволочных, Фольговых и полупроводниковых тензорезисторов (с мощностью от 25 до 630 мВт и полной площадью, занимаемой решёткой, от 0,9 до 250 мм2) колеблются в очень узких пределах Руд =26 ÷ 28 кВт/м2 (или мВт/мм2). Лишь в редких случаях, используя очень тонкую подложку, удаётся достичь Руд=38 ÷ 39 мВт/мм2.

Допустимое значение тока Iдоп через тензорезистор определяется из соотношения Р= I2R= РудS0. Так, например, для проволочных тензорезисторов с базой длиной l, из n проводов в решётке с диаметром d, изготовленных из материала с удельным сопротивлением ρ,

и допустимое значение тока

Для константановой проволоки ρ = 0,46·10-6 Ом·м, тогда при РУД=27 кВт/м2 допустимое значение тока

IДОП = 7,3 1010d3 ,

94

где IДОП в амперах и d в метрах.

Погрешности измерения тензорезисторами возникают за счёт следующих основных факторов:

-влияния температуры преобразователя на его сопротивление и линейное расширение;

-ползучести характеристики, т.е. её изменения, вызываемого остаточными деформациями в преобразователи при длительном действии значительных по величине нагрузок, близких к допустимым;

-невоспроизводимости характеристики преобразования при нагрузке и разгрузке;

-изменения крутизны характеристики преобразования от времени из-за старения материалов, особенно из-за изменения свойств клеящих компонентов;

-снижения чувствительности при увеличении частоты деформаций, когда длина распространяющейся в детали звуковой волны деформации становятся соизмеримой с базой преобразователя.

Наиболее существенное влияние на величину погрешности имеет первый фактор. Изменение сопротивления преобразователя от изменения температуры соизмеримо с изменением сопротивления от действия деформации. Температура тензорезистора зависит от температуры окружающей среды и величины тока, протекающего через резистор. Изменения температуры должно учитываться при обработки результатов путём введения коррекций или, что более желательно, автоматической компенсацией температурной погрешности. Для снижения температурной погрешности используют несколько путей:

-выбирают материал для тензорезистора с малым температурным коэффициентом линейного расширения, близким к коэффициенту расширения детали;

95

-применяют компенсационные преобразователи, располагаемые в непосредственной близости от однотипного рабочего, но не подвергаемы действию деформации;

-используют самокомпенсирующие тензорезисторы, состоящие из двух частей. Одна часть обладает положительным температурным коэффициентом сопротивления, вторая – отрицательным. Правильным подбором величин и температурных коэффициентов сопротивлений частей датчика добиваются высокой степени компенсации температурной погрешности. Особенно широкое применение такой способ нашёл при изготовлении полупроводниковых тензорезисторов.

Основная погрешность выпускаемых в настоящее промышленностью проволочных и фольговых тензорезисторов при компенсации температурной погрешности не превышает

1%.

7.3. Конструкция тензорезисторов.

В технике измерения неэлектрических величин тензорезисторы используются по двум направлениям.

Первое направление – использование тензоэффекта проводника, находящегося в состоянии объёмного сжатия, когда естественной входной величиной преобразователя является давление окружающего его газа или жидкости. На этом принципе строятся манометры для измерения высоких и сверхвысоких давлений, преобразователи которых представляют собой катушку провода (обычно манганинового) или полупроводниковый элемент (чаще всего германиевый или кремниевый), помещённые в область измеряемого давления (жидкости или газа). Выходной величиной преобразователя является изменение его активного сопротивления.

Второе направление – использование тензоэффекта растягиваемого или сжимаемого тензочувсвительного материала. При этом тензорезисторы применяются в виде «свободных» преобразователей и в виде наклеиваемых.

96

«Свободные» преобразователи выполняются в виде одной или ряда проволок, закреплённых по концам между подвижной и неподвижной деталями и, как правило, выполняющих одновременно роль упругого элемента. Естественной входной величиной таких преобразователей является весьма малое перемещение подвижной детали.

Устройство наиболее распространённого типа наклеиваемого проволочного тензорезистора изображено на рис. 7. 1. На полоску тонкой бумаги или лаковую плёнку 2 наклеивается так называемая решётка из зигзагообразно уложенной тонкой проволоки 3 диаметром

0,02 – 0,05 мм.

К концам проволоки присоединяются (пайкой или сваркой) выводные медные проводники 4. Свер-

ху Рис. 7.1 преобразова-

тель покрывается слоем лака 1. Такой преобразователь, будучи приклеенным к испытуемой детали, воспринимает деформации её поверхностного слоя. Таким образом, естественной входной величиной наклеиваемого тензопреобразователя является деформация поверхностного слоя детали, на которую он наклеен, а выходной – изменение сопротивления преобразователя, пропорциональное этой деформации.

Измерительной базой преобразователя является длина детали, занимаемая проволокой. Наиболее часто используется преобразователи с базами 5 – 20 мм, обладающие сопротивле-

нием 30 – 500 Ом.

97

Кроме наиболее распространённой петлевой конструкции проволочных тензорезисторов, существуют и другие. При необходимости уменьшения измерительной базы преобразователя (до 3 – 1 мм) его изготовляют двухслойным так называемым витковым способом, который заключается в том, что на оправке круглого сечения на трубку из тонкой бумаги наматывается спираль из тензочувсвительной проволоки. Затем эта трубка проклеивается, снимается с оправки, расплющивается и к концам проволоки прикрепляются выводы.

Когда надо подучить от цепи с тензорезистором ток большой величины, часто используют «мощные» проволочные тензорезисторы.

Они состоят из большого числа (до 30 – 50) параллельно соединенных проволок, отличаются большими габаритами (длина базы 150 – 200 мм) и развивают мощность, достаточную для вибратора осциллографа без использования усилителей .

Фольговые преобразователи представляют собой весьма тонкую ленту из фольги толщиной 4 – 12 мкм, на которой часть металла выбрана травлением таким образом, что оставшаяся его часть образует показанную на рис. 7.2

решётку с выводами.

В последние годы появился ещё один способ массового изготовления тензорезисторов, заключающийся в вакуумной возгонке тензочувсвитель-

Рис. 7.2 ного материала и последующей конденсации его на подложку. Такие тензорезисторы получили название плё-

ночных.

98

Для изготовления плёночных тензорезисторов, помимо металлических материалов (например, титаноалюминиевый сплав 48Т-2, обеспечивающий измерение деформаций до 12% при коэффициенте тензочувствительности порядка 0,2), используется также целый ряд полупроводниковых материалов, например германий, кремний (k=100÷120) и др.

При изготовлении фольговых и плёночных преобразователей можно предусмотреть любой рисунок решётки, что является существенным их достоинством.

Полупроводниковые тензорезисторы могут быть изготовлены непосредственно вырезанием из полупроводникового материала. Однако возможны и другие пути. Можно выращивать монокристаллы в виде «усов» путём конденсации паров, но получающиеся при этом тензорезисторы имеют большой разброс по размерам и свойствам. Выращивание дендритных кристаллов позволяет получить более однородные тензорезисторы. Таким способом получают тензорезисторы, предназначеные для наклеивания на упругий элемент. Клей или цемент в этом случае исполняет роль изолятора. Наклеиваемые тензорезисторы не получили широкого применения, потому что склейка не позволяет получить безгистерезисные соединения.

Для получения наклеиваемых тензорезисторов используются диффузная или эпитаксиальная технология. В обоих случаях электрическая изоляция тензорезистора обеспечивается большим сопротивлением p-n перехода.

Тензорезисторы образуются за счёт локальной диффузии примесей в подложку. При этом тип электрической проводимости тензорезистивных плёнок должен быть противоположен типу электрической проводимости подложки. Обычно маской является оксидная плёнка, в которой методом фотолитографии вытравливаются окна соответствующих размеров.

Температура и длительность процесса диффузии определяют толщину и сопротивление получаемых тензорезисторов.

В качестве подложек применяется сапфир или шпинель. Подложка из монокристаллического сапфира обладает исклю-

99

чительными упругими свойствами. Сапфир весьма прочен, имеет высокую стойкость к агрессивным средам. В вакууме сапфир хорошо спаивается с металлами твёрдыми припоями.

7.4. Схемы включения тензорезисторов

При измерении упругих деформаций наклеиваемый тензорезистор располагается на детали в направлении главной (измеряемой) деформации.

В пределах упругих деформаций тензорезисторы характеризует небольшое относительное изменение сопротивления.

Небольшие приращения сопротивлений тензорезисторов необходимо преобразовать в большие относительные изменения выходных электрических величин.

Чаще всего измерительной цепью является делитель напряжения либо мостовая цепь. Делитель напряжения с питанием постоянным током (рисунок 4) применяют лишь в том случае, когда интересуются только переменной состовляющей

измеряемой величины, при этом постоянная состовляющая падения напряжения на сопротивлении Rп тензопреобразователя, в сотни раз превышающая переменную состовляющей, отфильтровывается разделительным конденсатором С. Во всех

100